Come funzionano i computer ottici e quantistici?

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La cronologia informatica è piena di flop.

Il Apple III aveva la brutta abitudine di cucinarsi nel suo guscio deformato. Il Atari Jaguar, una console di gioco "innovativa" che ha avuto alcune pretese spurie in merito alle sue prestazioni, non riuscendo a conquistare il mercato. Aveva il chip Pentium di punta di Intel progettato per applicazioni di contabilità ad alte prestazioni difficoltà con i numeri decimali.

Ma l'altro tipo di flop che prevale nel mondo dell'informatica è il FLOPS misurazione, a lungo acclamato come un confronto ragionevolmente equo tra diverse macchine, architetture e sistemi.

FLOPS è una misura delle operazioni in virgola mobile al secondo. In parole povere, è il tachimetro per un sistema informatico. Ed è stato crescere esponenzialmente per decenni.

E se ti dicessi che tra qualche anno, avrai un sistema seduto sulla tua scrivania, o nella tua TV o nel tuo telefono, che spazzerebbe il pavimento dei supercomputer di oggi? Incredibile? Sono un pazzo? Dai un'occhiata alla storia prima di giudicare.

Supercomputer al supermercato

Un recente Intel i7 Haswell Qual è la differenza tra le CPU Intel Haswell e Ivy Bridge?Alla ricerca di un nuovo computer? Chi acquista un nuovo laptop o desktop con tecnologia Intel deve conoscere le differenze tra l'ultima e l'ultima generazione di processori Intel. Leggi di più il processore può eseguire circa 177 miliardi FLOPS (GFLOPS), che è il più veloce del supercomputer più veloce negli Stati Uniti nel 1994, il Sandia National Labs XP / s140 con 3.680 core di elaborazione che lavorano insieme.

Una PlayStation 4 può funzionare a circa 1,8 trilioni di FLOPS grazie al suo avanzato Microarchitettura cellularee avrebbe battuto il $ 55 milioni ASCI Red supercomputer che ha superato il campionato mondiale di supercomputer nel 1998, quasi 15 anni prima che la PS4 fosse rilasciata.

IBM Sistema Watson AI IBM rivela il rivoluzionario "Brain on a Chip"Annunciato la scorsa settimana tramite un articolo su Science, "TrueNorth" è ciò che è noto come un "chip neuromorfo" - un chip progettato per imitare i neuroni biologici, per l'uso in sistemi informatici intelligenti come Watson. Leggi di più ha un (corrente) picco di funzionamento 80 TFLOPS, e non è affatto vicino a farlo entrare nella Top 500 dei supercomputer di oggi, con il Tianhe-2 cinese dirigendo la Top 500 nelle ultime 3 occasioni consecutive, con un picco di prestazioni 54,902 TFLOPS, o quasi 55 Peta-FLOPS.

La grande domanda è: dov'è la prossima supercomputer di dimensioni desktop L'ultima tecnologia informatica che devi vedere per credereScopri alcune delle più recenti tecnologie informatiche destinate a trasformare il mondo dell'elettronica e dei PC nei prossimi anni. Leggi di più da dove verrà? E, soprattutto, quando lo stiamo ottenendo?

Un altro mattone nel muro di potere

Nella storia recente, le forze trainanti tra questi impressionanti guadagni di velocità sono state nella scienza dei materiali e nella progettazione dell'architettura; processi di produzione su scala nanometrica più piccola significano che i chip possono essere più sottili, più veloci e scaricare meno energia sotto forma di calore, il che li rende più economici da eseguire.

Inoltre, con lo sviluppo di architetture multi-core alla fine degli anni 2000, molti "processori" sono ora compressi su un singolo chip. Questa tecnologia, combinata con la crescente maturità dei sistemi di calcolo distribuito, dove molti I "computer" possono funzionare come una singola macchina, il che significa che la Top 500 è sempre stata in crescita, quasi per mantenere al passo con La famosa legge di Moore.

comunque, il le leggi della fisica stanno iniziando a ostacolare tutta questa crescita, anche Intel è preoccupata per questoe molti in tutto il mondo stanno cercando la prossima cosa.

... tra circa dieci anni, vedremo il crollo della Legge di Moore. In effetti, già vediamo un rallentamento della Legge di Moore. La potenza del computer non può semplicemente mantenere il suo rapido aumento esponenziale utilizzando la tecnologia al silicio standard. - Dr. Michio Kaku – 2012

Il problema fondamentale con l'attuale progettazione di elaborazione è che i transistor sono attivati ​​(1) o disattivati ​​(0). Ogni volta a cancello a transistor "Lancia", deve espellere una certa quantità di energia nel materiale di cui è fatto il cancello per far sì che quel "giro" resti. Man mano che queste porte diventano sempre più piccole, il rapporto tra l'energia per usare il transistor e il l'energia per "capovolgere" il transistor diventa sempre più grande, creando maggiore riscaldamento e affidabilità i problemi. I sistemi attuali si stanno avvicinando - e in alcuni casi superando - la densità di calore grezzo dei reattori nucleari e i materiali stanno iniziando a fallire i loro progettisti. Questo è classicamente chiamato il "Power Wall".

Di recente, alcuni hanno iniziato a pensare diversamente su come eseguire calcoli utili. Due aziende in particolare hanno attirato la nostra attenzione in termini di forme avanzate di calcolo quantico e ottico. canadese Sistemi D-Wave e con sede nel Regno Unito Optalysys, che hanno entrambi approcci estremamente diversi a problematiche molto diverse.

È ora di cambiare la musica

D-Wave ha avuto molta stampa ultimamente, con la sua minacciosa scatola nera super raffreddata con un picco interno estremamente cyberpunk, contenente un enigmatico chip nudo con poteri difficili da immaginare.

In sostanza, il sistema D2 adotta un approccio completamente diverso alla risoluzione dei problemi eliminando efficacemente il libro delle regole di causa ed effetto. Quindi, a che tipo di problemi sta puntando questo behemoth supportato da Google / NASA / Lockheed Martin?

The Rambling Man

Storicamente, se si desidera risolvere un Problema NP-Hard o intermedio, dove esiste un numero estremamente elevato di possibili soluzioni che presentano una vasta gamma di potenzialità, l'utilizzo di "valori" l'approccio classico semplicemente non funziona. Prendiamo ad esempio il problema del commesso viaggiatore; date N-città, trova il percorso più breve per visitare tutte le città una volta. È importante notare che il TSP è un fattore importante in molti settori come la produzione di microchip, la logistica e persino il sequenziamento del DNA,

Ma tutti questi problemi si riducono a un processo apparentemente semplice; Scegli un punto da cui iniziare, genera un percorso intorno a N "cose", misura la distanza e se esiste un percorso più breve di esso, scarta il percorso tentato e passa al successivo fino a quando non ci sono più percorsi verso dai un'occhiata.

Sembra facile, e per piccoli valori lo è; per 3 città ci sono 3 * 2 * 1 = 6 rotte da controllare, per 7 città ci sono 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 5040, il che non è poi così male da gestire per un computer. Questo è un Fattoriale sequenza, e può essere espresso come "N!", quindi 5040 è 7 !.

Tuttavia, quando vai un po 'oltre, in 10 città da visitare, devi testare oltre 3 milioni di rotte. Quando arrivi a 100, il numero di percorsi che devi controllare è 9 seguito da 157 cifre. L'unico modo per osservare questo tipo di funzioni è utilizzare un grafico logaritmico, in cui l'asse y inizia da 1 (10 ^ 0), 10 (10 ^ 1), 100 (10 ^ 2), 1000 (10 ^ 3 ) e così via.

I numeri diventano troppo grandi per poter essere ragionevolmente elaborati su qualsiasi macchina esistente oggi o che può esistere utilizzando architetture di calcolo classiche. Ma quello che sta facendo D-Wave è molto diverso.

Il Vesuvio emerge

Il chip Vesuvio nel D2 utilizza circa 500 "qubit"O bit quantici per eseguire questi calcoli utilizzando un metodo chiamato Ricottura Quantica. Invece di misurare ogni percorso alla volta, i Vesuvio Qubits sono impostati in uno stato di sovrapposizione (né acceso né spento, in funzione insieme come una sorta di campo potenziale) e una serie di descrizioni algebriche sempre più complesse della soluzione (ovvero una serie di Hamiltoniana le descrizioni della soluzione, non una soluzione in sé) vengono applicate al campo di sovrapposizione.

In effetti, il sistema sta testando l'idoneità di ogni potenziale soluzione simultaneamente, come una palla che "decide" quale modo di scendere da una collina. Quando la sovrapposizione viene rilassata in uno stato fondamentale, tale stato fondamentale dei qubit dovrebbe descrivere la soluzione ottimale.

Molti si sono chiesti quale vantaggio offre il sistema D-Wave rispetto a un computer convenzionale. In un recente test della piattaforma contro un tipico Problema del venditore ambulante, che ha richiesto 30 minuti per un computer classico, impiegò solo mezzo secondo sul Vesuvio.

Tuttavia, per essere chiari, questo non sarà mai un sistema su cui giochi Doom. Alcuni commentatori ci stanno provando confrontare questo sistema altamente specializzato con un processore generico. Faresti meglio a confrontare un Ohio-classare il sottomarino con il F35 Lightning; qualsiasi metrica selezionata per una è così inappropriata per l'altra da essere inutile.

Il D-Wave si sta avviando a diversi ordini di grandezza più velocemente per i suoi problemi specifici rispetto a un processore standard e FLOPS le stime vanno da 420 GFLOPS relativamente impressionanti per un Peta-FLOPS da 1,5 strabiliante (inserendolo nella top 10 dei supercomputer nel 2013 all'epoca dell'ultimo prototipo pubblico). Semmai, questa disparità evidenzia l'inizio della fine di FLOPS come misura universale quando applicata a specifiche aree problematiche.

Quest'area dell'informatica è rivolta a una serie di problemi molto specifici (e molto interessanti). È preoccupante che uno dei problemi all'interno di questa sfera sia crittografia Come crittografare Gmail, Outlook e altri WebmailGli account e-mail contengono le chiavi delle tue informazioni personali. Ecco come crittografare Gmail, Outlook.com e altri account di posta. Leggi di più - specificamente crittografia a chiave pubblica.

Per fortuna l'implementazione di D-Wave sembra focalizzata sugli algoritmi di ottimizzazione e D-Wave ha preso alcune decisioni di progettazione (come la struttura gerarchica di peering sul chip) che indica che non puoi usare il Vesuvio da risolvere L'algoritmo di Shor, che potenzialmente potrebbe sbloccare Internet così male renderebbe orgoglioso Robert Redford.

Laser Matematica

La seconda azienda nella nostra lista è Optalysys. Questa società con sede nel Regno Unito prende l'informatica e la mette in testa usando la sovrapposizione analogica della luce per eseguire determinate classi di calcolo usando la natura della luce stessa. Il video di seguito mostra alcuni retroscena e fondamenti del sistema Optalysys, presentato da Prof. Heinz Wolff.

È un po 'ondulato a mano, ma in sostanza, è una scatola che si spera un giorno siederà sulla tua scrivania e fornire supporto di calcolo per simulazioni, CAD / CAM e imaging medico (e forse, solo forse, computer Giochi). Come il Vesuvio, non è possibile che la soluzione Optalysys esegua attività di elaborazione mainstream, ma non è per questo che è progettata.

Un modo utile di pensare a questo stile di elaborazione ottica è quello di pensarlo come un'unità di elaborazione grafica (GPU) fisica. GPU moderna Conosci il tuo acceleratore grafico in modo estremamente dettagliato con GPU-Z [Windows]La GPU, o unità di elaborazione grafica, è la parte del tuo computer responsabile della gestione della grafica. In altre parole, se i giochi sono instabili sul tuo computer o non sono in grado di gestire impostazioni di qualità molto elevata, ... Leggi di più Usano molti processori di streaming in parallelo, eseguendo lo stesso calcolo su dati diversi provenienti da diverse aree di memoria. Questa architettura è stata il risultato naturale del modo in cui la grafica del computer è generata, ma questa architettura massicciamente parallela è stata utilizzata per tutto trading ad alta frequenza, per Reti neurali artificiali.

Optalsys prende principi simili e li traduce in un mezzo fisico; il partizionamento dei dati diventa divisione del raggio, l'algebra lineare diventa interferenza quantistica, Le funzioni di stile di MapReduce diventano sistemi di filtraggio ottico. E tutte queste funzioni operano in un tempo costante, efficacemente istantaneo.

Il dispositivo prototipo iniziale utilizza una griglia di elementi 500 × 500 20Hz per eseguire trasformazioni di Fourier veloci (fondamentalmente, "quali frequenze appaiono in questo flusso di input?") e ha fornito un equivalente deludente di 40 GFLOPS. Gli sviluppatori stanno prendendo di mira un sistema 340 GFLOPS di l'anno prossimo, che considerando il consumo energetico stimato, sarebbe un punteggio impressionante.

Allora, dov'è la mia scatola nera?

Il storia dell'informatica Una breve storia di computer che ha cambiato il mondoPuoi passare anni ad approfondire la storia del computer. Ci sono tonnellate di invenzioni, tonnellate di libri su di loro - e questo è prima che inizi a entrare nel dito che inevitabilmente si verifica quando ... Leggi di più ci mostra che quella che inizialmente è la riserva dei laboratori di ricerca e delle agenzie governative si fa rapidamente strada nell'hardware di consumo. Sfortunatamente, la storia dell'informatica non ha ancora dovuto affrontare i limiti delle leggi della fisica.

Personalmente, non credo che D-Wave e Optalysys saranno le esatte tecnologie che abbiamo sui nostri banchi tra 5-10 anni. Considera che il primo riconoscibile "Orologio intelligente" fu inaugurato nel 2000 e fallì miseramente; ma l'essenza della tecnologia continua ancora oggi. Allo stesso modo, queste esplorazioni sugli acceleratori di calcolo quantico e ottico probabilmente finiranno come note a piè di pagina nella "prossima grande cosa".

La scienza dei materiali si sta avvicinando computer biologici, usando strutture simili al DNA per eseguire la matematica. Nanotecnologia e "Questione programmabile" si sta avvicinando al punto in cui piuttosto che elaborare "dati", il materiale stesso conterrà, rappresenterà ed elaborerà le informazioni.

Tutto sommato, è un nuovo mondo coraggioso per uno scienziato computazionale. Dove pensi che stia andando tutto questo? Parliamone nei commenti!

Crediti fotografici:KL Intel Pentium A80501 di Konstantin Lanzet, Asci rosso - tflop4m dal governo degli Stati Uniti - Sandia National Laboratories, DWave D2 di The Vancouver Sun, DWave 128chip di D-Wave Systems, Inc., Problema del commesso viaggiatore di Randall Munroe (XKCD)